RU2781367C1

RU2781367C1 - Hybrid integrated optical device

Info

Publication number: RU2781367C1
Application number: RU2021138654A
Authority: RU
Inventors: Ульяна Олеговна Салгаева; Дмитрий Николаевич Москалев; Андрей Андреевич Козлов; Анастасия Александровна Малькова
Original assignee: Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания"
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2022-10-11

Abstract

FIELD: optical technology.

SUBSTANCE: invention relates to devices with integrated optical channel waveguides on a substrate of electro-optical material used to create integrated optical circuits. An increase in the efficiency of the integrated optical device with an increase in the efficiency of controlling the characteristics of optical radiation is achieved due to the fact that an optical channel low-contrast waveguide and I/O sections with an optical channel low-contrast waveguide are located in the near-surface layer of the electro-optical substrate. An optical channel high-contrast waveguide is located on the substrate. The sections of the high-contrast waveguide are made with adiabatic tapers located above the low-contrast waveguide. In the control area, control electrodes are located along the straight sections of the low-contrast waveguide. The difference between the refractive index of an electro-optical substrate and the refractive index of a high-contrast waveguide material is 0.2-1.6. In straight sections of a high-contrast waveguide, its linear cross-sectional dimensions correspond to the dimensions of a multimode waveguide. At the same time, using the calculated sizes of adiabatic tapers, a single-mode regime of optical radiation transmission is carried out in these areas. In the control area, sections of a high-contrast waveguide with linear cross-sectional dimensions corresponding to a single-mode waveguide are located above the straight sections of a low-contrast waveguide. In the waveguide, at least 10% of the radiation power is localized in the electro-optical substrate and/or in the control area, high-contrast adiabatic tapers of adjacent sections of the high-contrast waveguide are located above the straight sections of the low-contrast waveguide, the linear dimensions of the cross-section of which correspond to a multimode waveguide.

EFFECT: expansion of the range of devices with integrated optical channel waveguides.

4 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам интегральной оптики, в частности, к устройствам с интегрально-оптическими канальными волноводами на подложке из электрооптического материала, применяемым для создания интегрально-оптических схем (фотонных интегральных схем). Может использоваться в интегрально-оптических элементах с различными функциональными назначениями, например, в фазовых интегрально-оптических модуляторах, в амплитудных модуляторах и др. для применения в телекоммуникациях, сенсорике и др.The invention relates to integrated optics devices, in particular, to devices with integrated optical channel waveguides on a substrate of electro-optical material used to create integrated optical circuits (photonic integrated circuits). It can be used in integrated optical elements with various functional purposes, for example, in integrated optical phase modulators, amplitude modulators, etc. for use in telecommunications, sensors, etc.

Известен интегрально-оптический элемент по патенту РФ на изобретение RU2594987, G02B 6/126, 2016. Интегрально-оптический элемент включает подложку из кристалла ниобата лития и сформированный в подложке оптический волновод. Волновод создается термической диффузией титана из титановой полоски шириной 3 – 7 мкм и толщиной 60 – 80 нм, нанесенной на поверхность подложки. Данный волновод является низкоконтрастным канальным оптическим волноводом (разница показателей преломлении волновода и подложки не превышает 0,15). Глубина оптического волновода равна 3 – 4 мкм, а максимальная концентрация ионов титана в оптическом волноводе составляет (1 – 5)·10²⁸ м^-3. Недостатком элемента является низкая степень интеграции элементов на кристалле – малое (1 – 5) количество функциональных элементов, которые могут быть размещены на единице площади интегрально-оптической схемы. Низкая степень интеграции является следствием больших радиусов кривизны (1 – 3 см) волновода в местах его поворота, в местах разветвления волновода (делителях оптического излучения) или в местах соединения параллельных участков волноводов в один (сумматорах оптического излучения), а также вследствие больших размеров функциональных элементов. Невозможность размещения большого количества интегрально-оптических элементов на единице площади устройства является причиной ограничения набора функций, выполняемых одной интегрально-оптической схемой. Кроме того, расстояние между управляющими металлическими электродами, расположенными по обе стороны от низкоконтрастного канального оптического волновода составляет 15 мкм и более. Это обуславливает невысокое значение напряженности электрического поля в материале волновода, что влечет снижение эффективности управления характеристиками оптического излучения при создании управляющих элементов (модуляторов).An integrated optical element is known according to the RF patent for the invention RU2594987, G02B 6/126, 2016. The integrated optical element includes a lithium niobate crystal substrate and an optical waveguide formed in the substrate. The waveguide is created by thermal diffusion of titanium from a titanium strip 3–7 µm wide and 60–80 nm thick deposited on the substrate surface. This waveguide is a low-contrast channel optical waveguide (the difference between the refractive indices of the waveguide and the substrate does not exceed 0.15). The depth of the optical waveguide is 3 - 4 µm, and the maximum concentration of titanium ions in the optical waveguide is (1 - 5)·10 ²⁸ m ^-3 . The disadvantage of the element is the low degree of integration of elements on the chip - a small (1 - 5) number of functional elements that can be placed per unit area of the integrated optical circuit. The low degree of integration is a consequence of the large radii of curvature (1–3 cm) of the waveguide at the points of its turn, at the points of branching of the waveguide (optical radiation splitters) or at the junctions of parallel sections of the waveguides into one (optical radiation combiners), as well as due to the large dimensions of the functional elements. The impossibility of placing a large number of integrated optical elements per unit area of the device is the reason for limiting the set of functions performed by one integrated optical circuit. In addition, the distance between the control metal electrodes located on both sides of the low-contrast channel optical waveguide is 15 μm or more. This causes a low value of the electric field strength in the waveguide material, which leads to a decrease in the efficiency of controlling the characteristics of optical radiation when creating control elements (modulators).

Известна конструкция высококонтрастного интегрально-оптического канального волновода на основе кремния-на-изоляторе (КНИ) из статьи P. Dumon et al. Basic photonic wire components in silicon-on-insulator // 2nd IEEE International Conference on Group IV Photonics. 2005. P. 189-191 (doi: 10.1109/GROUP4.2005.1516448). В данной конструкции оптическое излучение распространяется по волноводу из кремния (Si), показатель преломления

которого составляет 3,3 – 3,7. Волновод располагается на подложке из диоксида кремния SiO₂ с показателем преломления

равным 1,45. В качестве оболочки, которая является покровным слоем волновода, применяют SiO₂ с показателем преломления 1,45, или воздушную атмосферу, показатель преломления которой равен 1,0. Профиль волновода формируется методами литографии, травления и напыления. Типичные габаритные размеры поперечного сечения волноводов на основе КНИ составляют: ширина 0,45 – 0,6 мкм; толщина 0,25 – 0,35 мкм. Недостатком канальных волноводов на основе КНИ является управление характеристиками оптического сигнала с помощью термооптического эффекта, то есть изменение показателя преломления происходит при изменении температуры материала волновода. Этим объясняется низкая скорость управления оптическим излучением с помощью управляющих элементов (электродов), поэтому типичные частоты управления характеристиками оптического сигнала в таких волноводах ограничены значениями 10 кГц. Кроме того, при стыковке данного высококонтрастного канального волновода с оптическим волокном для ввода и вывода излучения в интегрально-оптическую схему имеют место высокие оптические потери из-за несовпадения размеров модовых полей. Так диаметр модового поля у стандартно используемых для стыковки оптических волокон составляет 8 – 11 мкм, а диаметр поля моды в волноводе из кремния не превышает 1 мкм из-за малых размеров поперечного сечения волновода. Оптические потери на участках ввода-вывода излучения приводят к низкой эффективности работы высококонтрастного интегрально-оптического канального волновода на основе кремния-на-изоляторе. Типичные габаритные размеры волновода на основе КНИ рассчитываются так, чтобы по ним распространялась только одна (фундаментальная) мода оптического излучения. Однако, при распространении оптического излучения по одномодовому оптическому волноводу на основе КНИ происходит рассеяние оптического излучения на шероховатостях поверхности волновода, что приводит к высоким потерям оптического сигнала в интегрально-оптическом элементе и снижению эффективности его работы (ухудшению качеств конечного изделия). A well-known design of a high-contrast integrated optical channel waveguide based on silicon-on-insulator (SOI) from the article by P. Dumon et al. Basic photonic wire components in silicon-on-insulator // 2nd IEEE International Conference on Group IV Photonics. 2005. P. 189-191 (doi: 10.1109/GROUP4.2005.1516448). In this design, optical radiation propagates along a waveguide made of silicon (Si), the refractive index

which is 3.3 - 3.7. The waveguide is located on a silicon dioxide SiO ₂ substrate with a refractive index

equal to 1.45. As a shell, which is the covering layer of the waveguide, SiO ₂ with a refractive index of 1.45, or an air atmosphere, the refractive index of which is 1.0, is used. The waveguide profile is formed by lithography, etching, and deposition methods. Typical overall dimensions of the cross section of waveguides based on SOI are: width 0.45 - 0.6 µm; thickness 0.25 - 0.35 microns. The disadvantage of SOI-based channel waveguides is the control of the characteristics of the optical signal using the thermo-optical effect, i.e., the change in the refractive index occurs when the temperature of the waveguide material changes. This explains the low rate of control of optical radiation with the help of control elements (electrodes), therefore, typical frequencies for controlling the characteristics of the optical signal in such waveguides are limited to 10 kHz. In addition, when joining this high-contrast channel waveguide with an optical fiber for input and output of radiation into the integrated optical circuit, high optical losses occur due to the mismatch in the size of the mode fields. Thus, the mode field diameter for optical fibers that are standardly used for splicing is 8–11 µm, and the mode field diameter in a silicon waveguide does not exceed 1 µm due to the small cross section of the waveguide. Optical losses in the areas of input-output of radiation lead to low efficiency of the high-contrast integrated optical channel waveguide based on silicon-on-insulator. Typical overall dimensions of a SOI-based waveguide are calculated so that only one (fundamental) mode of optical radiation propagates along them. However, when optical radiation propagates through a SOI-based single-mode optical waveguide, optical radiation is scattered by the surface roughness of the waveguide, which leads to high losses of the optical signal in the integrated optical element and a decrease in its operation efficiency (deterioration of the quality of the final product).

Известен гибридный интегрально-оптический модулятор на основе кремния и ниобата лития по международной заявке на полезную модель WO2019218385, G02F 1/035, 2019. Данный модулятор содержит оптический волновод на основе КНИ, элемент для разделения оптического сигнала, элемент преобразования диаметра оптической моды в виде клиновидного волновода (тейпера) на основе кремния, волновод на основе ниобата лития, управляющие металлические электроды, заземляющий металлический электрод. Ввод и вывод оптического излучения из такого модулятора осуществляется через волноводы из КНИ, в области управления характеристиками оптического излучения (в области между электродами) оптическое излучение с помощью тейпера на основе кремния перекачивается в волновод из ниобата лития. При стыковке данного модулятора с оптическим волокном для ввода и вывода излучения имеют место высокие оптические потери из-за несовпадения размеров модовых полей оптического волокна и волновода на основе КНИ. Кроме того, при распространении оптического излучения в высококонтрастном волноводе на основе кремния наблюдаются высокие оптические потери, вызванных отражением и рассеянием оптического излучения на шероховатостях поверхности стенок данного волновода, что снижает эффективность работы интегрального оптического модулятора. A hybrid integrated optical modulator based on silicon and lithium niobate is known according to the international application for utility model WO2019218385, G02F 1/035, 2019. This modulator contains an optical waveguide based on SOI, an element for separating the optical signal, an element for converting the diameter of the optical mode in the form of a wedge-shaped a waveguide (taper) based on silicon, a waveguide based on lithium niobate, control metal electrodes, a grounding metal electrode. The input and output of optical radiation from such a modulator is carried out through SOI waveguides, in the area of controlling the characteristics of optical radiation (in the region between the electrodes), optical radiation is pumped using a silicon-based taper into a lithium niobate waveguide. When this modulator is coupled to an optical fiber for input and output of radiation, high optical losses occur due to the mismatch between the dimensions of the mode fields of the optical fiber and the SOI-based waveguide. In addition, when optical radiation propagates in a high-contrast silicon-based waveguide, high optical losses are observed due to reflection and scattering of optical radiation on the surface roughness of the walls of this waveguide, which reduces the efficiency of the integrated optical modulator.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран волновод с высокой степенью локализации моды в сердцевине на подложке из электрооптического материала по патенту на изобретение US2012230630, G02B 6/12, 2012. Оптическое устройство содержит волновод из нитрида кремния, обогащенного кремнием (SiN:Si), с высокой степенью локализации моды в сердцевине, расположенный на электрооптической подложке из ниобата лития и оптически связанный с низкоконтрастным волноводом, сформированным в подложке из ниобата лития. В изобретении представлен широкий спектр электрооптических устройств на основе данного гибридного волновода. Конструктивные варианты исполнения изобретения включают такие элементы, как направленные ответвители, компактные ответвители (на основе изогнутого волновода с использованием зеркала), электрооптические модуляторы, кольцевые резонаторы, электрооптические решетки. Во всех вариантах исполнения более 95 % энергии электромагнитного излучения сосредоточено в сердцевине одномодового канального оптического волновода из нитрида кремния, обогащенного кремнием SiN:Si. Ввод и вывод оптического излучения в волновод из SiN:Si с высокой степенью локализации моды в сердцевине осуществляют за счет создания на основе волноводов из SiN:Si клиновидных адиабатических тейперов, представляющих собой сужающийся по высоте и/или ширине волновод, оптически связанных с низкоконтрастным оптическим волноводом. Низкоконтрастный волновод создан методами диффузии титана или протонным обменом с последующим отжигом. Для управления характеристиками оптического излучения за счет электрооптического эффекта (например, для создания модуляторов) используют копланарную линию электродов. Однако, в случае, когда более 95 % энергии электромагнитного излучения сосредоточено в сердцевине канального оптического волновода из SiN:Si, не являющимся электрооптически активным, управление характеристиками оптического излучения системой электродов с помощью электрооптического эффекта осуществляется только за счет управления «хвостами» излучения, в которых сосредоточено не более 5 % от общей энергии, распространяющейся по волноводу. «Хвосты» излучения являются экспоненциально затухающим электромагнитным полем, выходящим за пределы сердцевины волновода из SiN:Si. В связи с этим эффективность управления характеристиками излучения довольно низкая. Волновод из SiN:Si на подложке из электрооптического материала является одномодовым, поэтому эффективность передачи оптического излучения снижается из-за отражения и рассеяния оптического сигнала на шероховатостях границ волновода, возникают дополнительные оптические потери в интегрально-оптической схеме. Кроме того, оптический контраст (разница показателей преломления) между волноводом из SiN:Si и подложкой из электрооптического материала и/или низкоконтрастным оптическим волноводом составляет 0,02 – 0,2. Такой невысокий контраст позволяет изготавливать оптические волноводы с типичными радиусами кривизны 300 мкм и более, что также является причиной невысокой степени интеграции интегрально-оптических элементов на единице площади, и как следствие ограничения набора функций, выполняемых одной интегрально-оптической схемой, что приводит к снижению эффективности работы устройства. As the closest analogue to the claimed technical solution, a waveguide with a high degree of mode localization in the core on a substrate made of electro-optical material according to the patent for the invention US2012230630, G02B 6/12, 2012 was chosen. The optical device contains a waveguide made of silicon nitride enriched with silicon (SiN:Si), with a high degree of mode localization in the core, located on an electro-optical lithium niobate substrate and optically coupled to a low-contrast waveguide formed in the lithium niobate substrate. The invention presents a wide range of electro-optical devices based on this hybrid waveguide. Structural embodiments of the invention include elements such as directional couplers, compact couplers (based on a curved waveguide using a mirror), electro-optical modulators, ring resonators, electro-optical gratings. In all versions, more than 95% of the electromagnetic radiation energy is concentrated in the core of a single-mode channel optical waveguide made of silicon nitride enriched with silicon SiN:Si. Input and output of optical radiation into a SiN:Si waveguide with a high degree of mode localization in the core is carried out by creating wedge-shaped adiabatic tapers based on SiN:Si waveguides, which are a waveguide tapering in height and/or width, optically coupled to a low-contrast optical waveguide . The low-contrast waveguide was created by titanium diffusion or proton exchange followed by annealing. To control the characteristics of optical radiation due to the electro-optical effect (for example, to create modulators), a coplanar line of electrodes is used. However, in the case when more than 95% of the electromagnetic radiation energy is concentrated in the core of the SiN:Si channel optical waveguide, which is not electro-optically active, the control of the optical radiation characteristics by the electrode system using the electro-optical effect is carried out only by controlling the radiation "tails", in which no more than 5% of the total energy propagating along the waveguide is concentrated. "Tails" of radiation are an exponentially decaying electromagnetic field that goes beyond the core of the SiN:Si waveguide. In this regard, the efficiency of controlling the radiation characteristics is rather low. The SiN:Si waveguide on an electro-optical material substrate is single-mode, therefore, the efficiency of optical radiation transmission decreases due to the reflection and scattering of the optical signal on the roughness of the waveguide boundaries, and additional optical losses occur in the integrated optical circuit. In addition, the optical contrast (refractive index difference) between the SiN:Si waveguide and the electro-optic material substrate and/or the low-contrast optical waveguide is 0.02 to 0.2. Such a low contrast makes it possible to manufacture optical waveguides with typical radii of curvature of 300 μm or more, which is also the reason for the low degree of integration of integrated optical elements per unit area, and as a result of the limitation of the set of functions performed by one integrated optical circuit, which leads to a decrease in efficiency. device operation.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности работы интегрально-оптического устройства при повышении эффективности управления характеристиками оптического излучения.The technical result of the claimed invention is to increase the efficiency of the integrated optical device while increasing the efficiency of controlling the characteristics of optical radiation.

Технический результат достигается за счет того, что в гибридном интегрально-оптическом устройстве, содержащем подложку из электрооптического материала, в приповерхностной области которой расположены оптический канальный одномодовый низкоконтрастный волновод и участки ввода-вывода с оптическим канальным низкокотрастным волноводом, на подложке расположен оптический канальный высококонтрастный волновод, участки высококонтрастного волновода выполнены с адиабатическими тейперами, расположенными над низкоконтрастным волноводом, область управления, в которой вдоль прямых участков низкоконтрастного волновода расположены управляющие электроды, согласно изобретению, разница между показателем преломления электрооптической подложки и показателем преломления материала высококонтрастного волновода составляет 0,2 – 1,6, на прямых участках высококонтрастного волновода его линейные размеры поперечного сечения соответствуют размерам многомодового волновода, при этом с помощью расчетных размеров адиабатических тейперов на этих участках осуществляют одномодовый режим передачи оптического излучения, в области управления над прямыми участками низкоконтрастного волновода расположены участки высококонтрастного волновода с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими одномодовому волноводу, у которого не менее 10 % мощности излучения локализовано в электрооптической подложке, и/или в области управления над прямыми участками низкоконтрастного волновода расположены высококонтрастные адиабатические тейперы соседних участков высококонтрастного волновода, линейные размеры поперечного сечения которого соответствуют многомодовому волноводу.The technical result is achieved due to the fact that in a hybrid integrated optical device containing a substrate of an electro-optical material, in the near-surface region of which an optical channel single-mode low-contrast waveguide and input-output sections with an optical channel low-contrast waveguide are located, an optical channel high-contrast waveguide is located on the substrate, sections of the high-contrast waveguide are made with adiabatic tapers located above the low-contrast waveguide, the control area, in which control electrodes are located along the straight sections of the low-contrast waveguide, according to the invention, the difference between the refractive index of the electro-optical substrate and the refractive index of the material of the high-contrast waveguide is 0.2 - 1.6 , on the straight sections of the high-contrast waveguide, its linear dimensions of the cross section correspond to the dimensions of the multimode waveguide, while using the calculated dimensions of the adiabatic optical tapers in these sections carry out a single-mode transmission of optical radiation, in the control area above the straight sections of the low-contrast waveguide there are sections of a high-contrast waveguide with linear cross-sectional dimensions corresponding to a single-mode waveguide, in which at least 10% of the radiation power is localized in the electro-optical substrate, and / or in the control area above the straight sections of the low-contrast waveguide, there are high-contrast adiabatic tapers of adjacent sections of the high-contrast waveguide, the linear dimensions of the cross section of which correspond to a multimode waveguide.

Кроме того, в интегрально-оптическом устройстве высококонтрастный волновод на участках изгиба выполнен с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими одномодовому волноводу.In addition, in the integrated optical device, the high-contrast waveguide in the bend sections is made with linear cross-sectional dimensions corresponding to a single-mode waveguide.

Кроме того, в интегрально-оптическом устройстве высококонтрастный волновод на делителях оптического излучения выполнен с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими одномодовому волноводу.In addition, in the integrated optical device, a high-contrast waveguide on optical radiation dividers is made with linear cross-sectional dimensions corresponding to a single-mode waveguide.

Кроме того, в интегрально-оптическом устройстве высококонтрастный волновод на сумматорах оптического излучения выполнен с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими одномодовому волноводу.In addition, in the integrated optical device, the high-contrast waveguide on optical radiation adders is made with linear cross-sectional dimensions corresponding to a single-mode waveguide.

Технический результат обеспечивается за счет свойств применяемых материалов электрооптической подложки и высококонтрастного волновода. В качестве материала подложки, обладающего электрооптическими свойствами, может быть использован, например, ниобат лития или танталат лития, в качестве материала высококонтрастного волновода, который является волноводом с высокой степенью локализации, может быть использован кремний (поликристаллический или аморфный), соединения кремния или другие оптические материалы, обеспечивающие разницу показателя преломления с подложкой 0,2 – 1,6. Это позволяет повысить степень локализации излучения внутри данного волновода, уменьшить критические радиусы кривизны в местах его изгибов и за счет этого повысить плотность интеграции элементов. Эффективность передачи оптического сигнала и эффективность изменения его характеристик повышается за счет возможности размещения бóльшего количества элементов на единице площади одного кристалла или интегрально-оптического чипа, что приводит к увеличению количества выполняемых функций над распространяющимся оптическим сигналом. Потери оптического излучения значительно снижаются за счет использования высококонтрастного волновода на прямых участках с линейными размерами поперечного сечения многомодового волновода, т.е., на прямых участках выбирают ширину и толщину волновода таким образом, что в нем становится возможным распространение фундаментальной моды и мод высшего порядка. При этом на переходах между низкоконтрастным и высококонтрастным волноводом подбирают расчетным путем размеры интегрально-оптических тейперов таким образом, что они являются адиабатическими тейперами. С помощью таких тейперов исключают возникновение мод высшего порядка в многомодовом волноводе. Тейпер является сужающейся или расширяющейся по высоте и/или ширине волноводной структурой. По волноводу с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими многомодовому, распространяется одномодовый оптический сигнал. В данном случае энергия фундаментальной моды в многомодовом волноводе локализуется в его сердцевине в большей степени, чем в одномодовом волноводе. Потери в многомодовом волноводе, вызванные рассеянием излучения на шероховатостях стенок волновода, будут ниже, чем в одномодовом волноводе, где из-за меньших размеров канала происходит более интенсивное отражение излучения от шероховатостей стенок и большее рассеяние. Такой многомодовый волновод располагают на прямых участках чипа или кристалла, где не происходит генерации мод высшего порядка, нет изгибов и нет управляющих электродов. На изогнутых участках волновода многомодовые волноводы переходят в одномодовые через адиабатические тейперы, чтобы на изгибе не возникали моды высшего порядка. Таким образом, во всем устройстве сохраняется одномодовый режим при котором снижаются оптические потери и повышается эффективность работы устройства в целом. Повышение эффективности управления характеристиками оптического излучения устройства в области управления, т.е., на участке, где располагаются металлические электроды достигается тем, что над низкоконтрастным волноводом располагают высококонтрастный волновод с уменьшенными размерами поперечного сечения, при которых не менее 10 % мощности излучения локализовано в электрооптической подложке, или с полным отсутствием высококонтрастного волновода между управляющими электродами в случае если в области управления расположены только высококонтрастные адиабатические тейперы соседних участков высококонтрастного волновода с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими многомодовому волноводу. Такое конструктивное исполнение управляемых участков позволяет частично или полностью выходить моде в низкоконтрастный волновод через адиабатический тейпер. Степень вывода излучения из высококонтрастного волновода может определяться конкретным применением. Переход оптической моды из высококонтрастного волновода в низкоконтрастный в областях электрооптической модуляции позволяет более эффективно управлять характеристиками моды. Данный подход позволяет сохранить высокие частоты управления до 40 ГГц и повысить эффективность управления. The technical result is achieved due to the properties of the materials used for the electro-optical substrate and the high-contrast waveguide. As a substrate material having electro-optical properties, for example, lithium niobate or lithium tantalate can be used, as a high-contrast waveguide material, which is a highly localized waveguide, silicon (polycrystalline or amorphous), silicon compounds or other optical materials that provide a difference in the refractive index with the substrate of 0.2 - 1.6. This makes it possible to increase the degree of localization of radiation inside a given waveguide, to reduce the critical radii of curvature at the places of its bends, and thereby to increase the integration density of the elements. The efficiency of optical signal transmission and the efficiency of changing its characteristics is increased due to the possibility of placing more elements per unit area of one crystal or integrated optical chip, which leads to an increase in the number of functions performed over a propagating optical signal. Optical radiation losses are significantly reduced by using a high-contrast waveguide in straight sections with linear cross-sectional dimensions of a multimode waveguide, i.e., in straight sections, the width and thickness of the waveguide are chosen in such a way that it becomes possible to propagate the fundamental mode and higher-order modes. At the same time, at the transitions between the low-contrast and high-contrast waveguides, the dimensions of the integrated optical tapers are selected by calculation in such a way that they are adiabatic tapers. With the help of such tapers, the occurrence of higher-order modes in a multimode waveguide is excluded. A taper is a waveguide structure that narrows or expands in height and/or width. A single-mode optical signal propagates along a waveguide with linear cross-sectional dimensions corresponding to a multimode one. In this case, the energy of the fundamental mode in a multimode waveguide is localized in its core to a greater extent than in a single-mode waveguide. Losses in a multimode waveguide caused by scattering of radiation on the roughness of the walls of the waveguide will be lower than in a single-mode waveguide, where, due to the smaller dimensions of the channel, there is a more intense reflection of radiation from the roughness of the walls and greater scattering. Such a multimode waveguide is located on straight sections of the chip or crystal, where there is no higher-order mode generation, no bends, and no control electrodes. On the curved sections of the waveguide, multimode waveguides pass into single-mode ones through adiabatic tapers so that higher-order modes do not arise at the bend. Thus, the single-mode mode is maintained in the entire device, which reduces optical losses and increases the efficiency of the device as a whole. Improving the efficiency of controlling the characteristics of the optical radiation of the device in the control area, i.e., in the area where the metal electrodes are located, is achieved by placing a high-contrast waveguide with reduced cross-sectional dimensions above the low-contrast waveguide, in which at least 10% of the radiation power is localized in the electro-optical substrate, or with the complete absence of a high-contrast waveguide between the control electrodes if only high-contrast adiabatic tapers of adjacent sections of the high-contrast waveguide with linear cross-sectional dimensions corresponding to a multimode waveguide are located in the control region. This design of the controlled sections allows the mode to partially or completely exit into the low-contrast waveguide through the adiabatic taper. The degree of radiation output from the high contrast waveguide may be determined by the particular application. The transition of the optical mode from a high-contrast waveguide to a low-contrast waveguide in the regions of electro-optical modulation makes it possible to control the mode characteristics more efficiently. This approach allows maintaining high control frequencies up to 40 GHz and increasing control efficiency.

На фигуре 1 представлено интегрально-оптическое устройство с расположением многомодового высококонтрастного волновода на электрооптической подложке и отсутствием высококонтрастного волновода в области управления.The figure 1 shows an integrated optical device with the location of a multimode high-contrast waveguide on an electro-optical substrate and the absence of a high-contrast waveguide in the control area.

На фигуре 2 представлено интегрально-оптическое устройство с расположением многомодового высококонтрастного волновода над низкоконтрастным волноводом и отсутствием высококонтрастного волновода в области управления.Figure 2 shows an integrated optical device with a multimode high-contrast waveguide above a low-contrast waveguide and no high-contrast waveguide in the control region.

На фигуре 3 представлено интегрально-оптическое устройство с расположением многомодового высококонтрастного волновода над низкоконтрастным волноводом и уменьшением размеров высококонтрастного волновода в области управления.The figure 3 shows an integrated optical device with the location of the multimode high-contrast waveguide above the low-contrast waveguide and reducing the size of the high-contrast waveguide in the control area.

На фигуре 4 представлено интегрально-оптическое устройство с расположением многомодового высококонтрастного волновода непосредственно на электрооптической подложке и уменьшением размеров выскоконтрастного волновода в области управления.Figure 4 shows an integrated optical device with a multimode high-contrast waveguide located directly on an electro-optical substrate and a reduction in the size of the high-contrast waveguide in the control region.

На фигуре 5 представлено схематичное изображение фазового модулятора.The figure 5 shows a schematic representation of the phase modulator.

На фигуре 6 представлено схематичное изображение амплитудного модулятора. The figure 6 shows a schematic representation of the amplitude modulator.

Интегрально-оптическое устройство может представлять собой интегрально-оптический чип или кристалл ниобата лития, или кристалл танталата лития, или подложку из другого электрооптического материала, и содержит зоны «А» - зоны ввода-вывода, являющиеся зонами стыковки с оптическим волокном, зоны «Б» - зоны одномодового режима в многомодовом высококонтрастном волноводе, зону «В» - область управления. Интегрально-оптическое устройство содержит электрооптическую подложку 1, например, из ниобата лития LiNbO₃, из танталата лития или других электрооптических материалов, содержит низкоконтрастный канальный волновод 2, сформированный в приповерхностной области подложки 1, высококонтрастный канальный волновод 3, металлические управляющие электроды 4. Показатель преломления подложки из ниобата лития составляет n = 2,20 (для длины волны λ = 1,55 мкм), из танталата лития – 2,18 (для λ = 0,63 мкм), показатель преломления низкоконтрастного канального волновода 2 из ниобата лития, созданного методом протонного обмена с последующим отжигом n = 2,22 (для λ = 1,55 мкм), из танталата лития n = 2,195. Высококонтрастный волновод 3 является волноводом с высокой степенью локализации излучения и расположен на поверхности подложки 1 или на поверхности, или в углублении подложки над низкоконтрастным волноводом 2. Разница между показателями преломления подложки 1 и высококонтрастного волновода 3 ∆n составляет 0,2 – 1,6, что позволяет при повороте высококонтрастного волновода на 90º обеспечить малые радиусы кривизны. Например, при ∆n = 1,6, радиус кривизны R_cr = 10 мкм. Разница между показателями преломления подложки 1 и высококонтрастного волновода сохраняется в указанном диапазоне значений ∆n в широком интервале длин волн. Металлические управляющие электроды 4 выполнены в виде полос (планарных линий), расположенных на прямых участках с двух сторон от низкоконтрастного волновода 2. Металлические управляющие электроды могут быть выполнены в виде копланарной линии, при этом между оптическим высококонтрастным волноводом и центральным электродом копланарной линии создают слой диэлектрика (например, из оксидов кремния (SiO_x, SiO₂)) толщиной, минимизирующей оптические потери в области управления. Металлические управляющие электроды 4 образуют область управления. Расстояние между металлическими электродами 4 и волноводом 2 составляет 5 – 10 мкм. При таком расстоянии потери оптического сигнала, связанные с поглощением оптического излучения материалом электродов, минимальны. Высококонтрастный волновод 3 может иметь прямые участки, изгибы 5, места разветвлений и соединений Участки высококонтрастного волновода содержат интегрально-оптические тейперы, в частности, адиабатические тейперы 6. Тейперы выполнены в виде клиновидно сужающихся концов волновода и предназначены для изменения размера поля моды с помощью изменения геометрических размеров волновода. В зоне «А» - зоне ввода-вывода расположен участок низкоконтрастного волновода 2, сформированного в электрооптической подложке 1. В зоне «Б» расположен высококонтрастный волновод 2, геометрические размеры которого, в частности толщина и ширина его поперечного сечения, соответствуют размерам многомодового волновода. В зоне «В» размещены управляющие электроды 4, между которыми расположен низкоконтрастный волновод 2. Управляющие электроды 4 предназначены для создания электромагнитного поля в месте расположения низкоконтрастного волновода 2 для возможности управления оптическим сигналом. В зоне «В» может быть размещен участок 7 высококонтрастного волновода 3, у которого геометрические размеры поперечного сечения выбраны меньшими, чем размеры поперечного сечения одномодового волновода. Такой участок «узкого» высоконтрастного волновода 7 в этом случае расположен над низкоконтрастным волноводом 2 и соединен через адиабатические тейперы 6 с соседними участками, на которых высококонтрастный волновод 6 имеет линейные размеры поперечного сечения многомодового волновода. Так же в зоне «В» «узкий» высококонтрастный волновод 7 может быть выполнен прерывистым и может ограничиваться только концами адиабатических тейперов 6 соседних участков многомодового высококонтрастного волновода 3. В этом случае в области управления между управляющими электродами 4 расположен только низкоконтрастный волновод 2, над которым размещены интегрально-оптические тейперы 6 соседних участков многомодового высококонтрастного волновода 3. Одномодовые высококонтрастные волноводы из кремния используют на участках с изгибами 5 волноводных структур для предотвращения генерации мод высшего порядка. Высококонтрастные многомодовые волноводы из кремния используют на прямых участках волноводных структур и/или в областях перекачки энергии оптического излучения из(в) низкоконтрастного волновода для снижения оптических потерь, вызванных рассеянием на шероховатостях волноводных структур, например, на шероховатостях боковых стенок волновода.An integrated optical device can be an integrated optical chip or a lithium niobate crystal, or a lithium tantalate crystal, or a substrate made of another electro-optical material, and contains zones "A" - input-output zones, which are zones of docking with optical fiber, zones "B » - single-mode zones in a multimode high-contrast waveguide, zone "B" - control area. The integrated optical device contains an electro-optical substrate 1, for example, from lithium niobate LiNbO ₃ , from lithium tantalate or other electro-optical materials, contains a low-contrast channel waveguide 2 formed in the near-surface region of the substrate 1, a high-contrast channel waveguide 3, and metal control electrodes 4. Refractive index lithium niobate substrate is n = 2.20 (for a wavelength of λ = 1.55 μm), from lithium tantalate - 2.18 (for λ = 0.63 μm), the refractive index of the low-contrast channel waveguide is 2 from lithium niobate, created by proton exchange followed by annealing n = 2.22 (for λ = 1.55 μm), from lithium tantalate n = 2.195. High-contrast waveguide 3 is a waveguide with a high degree of radiation localization and is located on the surface of substrate 1 or on the surface or in a recess of the substrate above low-contrast waveguide 2. The difference between the refractive indices of substrate 1 and high-contrast waveguide 3 ∆n is 0.2 - 1.6, which makes it possible to ensure small radii of curvature when turning the high-contrast waveguide by 90º. For example, at ∆n = 1.6, the radius of curvature R _cr = 10 µm. The difference between the refractive indices of the substrate 1 and the high-contrast waveguide is maintained in the specified range of ∆n values over a wide range of wavelengths. Metal control electrodes 4 are made in the form of strips (planar lines) located on straight sections on both sides of the low-contrast waveguide 2. Metal control electrodes can be made in the form of a coplanar line, while a dielectric layer is created between the optical high-contrast waveguide and the central electrode of the coplanar line (for example, from silicon oxides (SiO _x , SiO ₂ )) with a thickness that minimizes optical losses in the control region. The metal control electrodes 4 form the control area. The distance between metal electrodes 4 and waveguide 2 is 5–10 µm. At such a distance, the loss of the optical signal associated with the absorption of optical radiation by the electrode material is minimal. The high-contrast waveguide 3 can have straight sections, bends 5, branches and connections. The sections of the high-contrast waveguide contain integrated optical tapers, in particular, adiabatic tapers 6. Tapers are made in the form of wedge-shaped tapered ends of the waveguide and are designed to change the size of the mode field by changing the geometric waveguide dimensions. In zone "A" - the input-output zone, there is a section of a low-contrast waveguide 2 formed in an electro-optical substrate 1. In zone "B" there is a high-contrast waveguide 2, the geometric dimensions of which, in particular, the thickness and width of its cross section, correspond to the dimensions of the multimode waveguide. Control electrodes 4 are placed in zone "B", between which a low-contrast waveguide 2 is located. Control electrodes 4 are designed to create an electromagnetic field at the location of the low-contrast waveguide 2 in order to control the optical signal. In the zone "B" can be placed section 7 of the high-contrast waveguide 3, in which the geometric dimensions of the cross section are selected smaller than the cross-sectional dimensions of the single-mode waveguide. Such a section of a “narrow” high-contrast waveguide 7 in this case is located above the low-contrast waveguide 2 and is connected through adiabatic tapers 6 to neighboring sections, in which the high-contrast waveguide 6 has the linear dimensions of the cross section of a multimode waveguide. Also in zone "B" the "narrow" high-contrast waveguide 7 can be discontinuous and can be limited only by the ends of the adiabatic tapers 6 of neighboring sections of the multi-mode high-contrast waveguide 3. In this case, in the control region between the control electrodes 4, only low-contrast waveguide 2 is located, above which integrated-optical tapers 6 adjacent sections of the multimode high-contrast waveguide 3 are placed. High-contrast multimode silicon waveguides are used in straight sections of waveguide structures and/or in areas where optical radiation energy is pumped from (to) a low-contrast waveguide to reduce optical losses caused by scattering on the roughness of the waveguide structures, for example, on the roughness of the side walls of the waveguide.

Низкоконтрастный канальный волновод 2 может быть получен методом протонного или ионного обмена, легирования, диффузии примеси (например, титана), ионной имплантацией с последующих отжигом или другими схожими методами, при которых происходит реакция замещения Li+ → H+. Низкоконтрастные оптические волноводы 2, созданы в подложке из того же электрооптического материала, что и сама подложка 1, в них происходит изменение показателя преломления при приложении внешнего электрического поля. Показатель преломления низкоконтрастного волновода 2 на 0,001 – 0,15, превышает показатель преломления подложки 1 из оптического материала, в котором волновод 2 создан. Типичные габаритные размеры поперечного сечения таких низкоконтрастных волноводов составляют: ширина (W) 6 – 10 мкм; глубина (T) 3 – 10 мкм. В качестве материала высококонтрастного волновода 3 применяют кремний с показателем преломления n = 3,5 – 3,7 (кристаллический, поликристаллический или аморфный) или другие материалы. Линейные размеры поперечного сечения одномодового высококонтрастного волновода удовлетворяют следующим условиям для толщины T = 200 нм, ширина W составляет 400 – 800 нм. Многомодовый высококонтрастный волновод создают из кремния или поликристаллического кремния на подложке 1 со следующими размерами: для толщины T = 200 нм, ширина W = 1000 нм. Параметры адиабатического тейпера: длина 300 нм, начальная ширина W₁ = 1000 нм, конечная ширина W₂ = 300 нм, изменение ширины происходит линейно. Все значения показателей преломления и габаритных параметров волноводов приведены для λ = 1,55 мкм. Для получения высококонтрастного канального оптического волновода 3 методом напыления создают пленку заданной толщины из кремния на поверхности подложки из ниобата лития, например, магнетронным напылением, электронно-лучевым или плазмохимическими методами. Далее методами литографии, например, фотолитографии, лазерной, электронно-лучевой или другими способами формируют топологический рисунок. Жидкостным или плазмохимическим химическим травлением формируют профиль высококонтрастного волновода. Выполняют травление по маске с созданным ранее топологическим рисунком. При необходимости выполняют напыление оболочечных слоев магнетронным, электронно-лучевым или плазмохимическими методами. Оболочечные слои выполняют из оксида кремния различных стехиометрий или других диэлектрических материалов с показателем преломления менее 2,2. Для металлических управляющих электродов 4 используют такие материалы, как золото, серебро, медь, хром, никель, титан и др. Возможно использование многослойных металлических электродов, каждый слой которых состоит из различных металлов. Топологию металлических электродов 4 формируют на положке 1 фотолитографией, лазерной или электронно-лучевой литографией и методом магнетронного или термического напыления. The low-contrast channel waveguide 2 can be obtained by proton or ion exchange, doping, impurity diffusion (for example, titanium), ion implantation followed by annealing, or other similar methods in which the Li+ → H+ substitution reaction occurs. Low-contrast optical waveguides 2 are created in a substrate made of the same electro-optical material as the substrate 1 itself; the refractive index changes in them when an external electric field is applied. The refractive index of the low-contrast waveguide 2 is 0.001 - 0.15 higher than the refractive index of the substrate 1 of the optical material in which the waveguide 2 is made. Typical overall dimensions of the cross section of such low-contrast waveguides are: width (W) 6 – 10 µm; depth (T) 3 – 10 µm. Silicon with a refractive index n = 3.5 - 3.7 (crystalline, polycrystalline or amorphous) or other materials is used as a material for high-contrast waveguide 3. The linear dimensions of the cross section of a single-mode high-contrast waveguide satisfy the following conditions for the thickness T = 200 nm, the width W is 400 – 800 nm. A multimode high-contrast waveguide is made of silicon or polycrystalline silicon on substrate 1 with the following dimensions: for thickness T = 200 nm, width W = 1000 nm. Adiabatic taper parameters: length 300 nm, initial width W ₁ = 1000 nm, final width W ₂ = 300 nm, the width changes linearly. All values of the refractive indices and overall parameters of the waveguides are given for λ = 1.55 μm. To obtain a high-contrast channel optical waveguide 3, a film of a given thickness of silicon is created by sputtering on the surface of a lithium niobate substrate, for example, by magnetron sputtering, electron beam or plasma-chemical methods. Next, the methods of lithography, for example, photolithography, laser, electron beam or other methods form a topological pattern. Liquid or plasma-chemical chemical etching form the profile of a high-contrast waveguide. Etching is performed on a mask with a previously created topological pattern. If necessary, the shell layers are deposited by magnetron, electron-beam or plasma-chemical methods. The shell layers are made of silicon oxide of various stoichiometry or other dielectric materials with a refractive index of less than 2.2. For metal control electrodes 4, materials such as gold, silver, copper, chromium, nickel, titanium, etc. are used. It is possible to use multilayer metal electrodes, each layer of which consists of different metals. The topology of the metal electrodes 4 is formed on the support 1 by photolithography, laser or electron beam lithography and magnetron or thermal deposition.

Все вышеописанные элементы составляют основу гибридного интегрально-оптического устройства, могут использоваться в различных комбинациях. Устройство может быть выполнено с различными вариантами топологии в зависимости от его функционального назначения и требований к выходным характеристикам оптического излучения.All of the above elements form the basis of a hybrid integrated optical device and can be used in various combinations. The device can be made with various topologies depending on its functional purpose and requirements for the output characteristics of optical radiation.

Фазовый модулятор может быть, например, выполнен с расположением многомодового высококонтрастного волновода на электрооптической подложке и отсутствием высококонтрастного волновода в области управления; с расположением многомодового высококонтрастного волновода над низкоконтрастным волноводом и отсутствием высококонтрастного волновода в области управления; с расположением многомодового высококонтрастного волновода над низкоконтрастным волноводом и уменьшением размеров высококонтрастного волновода в области управления; с расположением многомодового высококонтрастного волновода непосредственно на электрооптической подложке и уменьшением размеров выскоконтрастного волновода в области управления. Фазовый модулятор может быть выполнен с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими одномодовому волноводу на изгибах. На участках устройств, где используются делители и сумматоры оптического излучения используют высококонтрастный волновод, линейные размеры поперечного сечения которого соответствуют одномодовому волноводу для сохранения одномодового режима во всем устройстве. Вышеописанные модуляторы не являются исчерпывающими вариантами исполнения для конструкций заявляемого гибридного интегрально-оптического устройства.The phase modulator can be, for example, made with the location of a multimode high-contrast waveguide on an electro-optical substrate and the absence of a high-contrast waveguide in the control area; with the location of the multimode high-contrast waveguide above the low-contrast waveguide and the absence of a high-contrast waveguide in the control area; with the location of the multimode high-contrast waveguide above the low-contrast waveguide and reducing the size of the high-contrast waveguide in the control region; with the location of a multimode high-contrast waveguide directly on the electro-optical substrate and a decrease in the size of the high-contrast waveguide in the control region. The phase modulator can be made with linear cross-sectional dimensions corresponding to a single-mode waveguide on bends. In areas of devices where dividers and adders of optical radiation are used, a high-contrast waveguide is used, the linear dimensions of the cross section of which correspond to a single-mode waveguide to maintain a single-mode mode throughout the device. The above modulators are not exhaustive options for the designs of the proposed hybrid integrated optical device.

Интегрально-оптическое устройство работает следующим образом.The integrated optical device operates as follows.

Интегрально-оптическое устройство для встраивания в оптическую систему стыкуется любым из известных способов с оптическим волокном. Оптический сигнал из стыкуемого оптического волокна поступает на вход интегрально-оптического устройства и вводится в низкоконтрастный оптический волновод зоны «А», у которого модовое пятно по размеру соответствует модовому пятну оптического волокна. За счет этого потери оптического излучения на входе минимальны. Так, характерный диаметр модового пятна у стандартно используемых для стыковки оптических волокон составляется 8 – 11 мкм, диаметр поля моды в низкоконтрастном волноводе, сформированном в приповерхностном слое подложки 1, так же составляет 8 – 11 мкм. Оптические потери при этом незначительны - до 1 дБ на ввод излучения. Далее вся энергия оптического излучения перекачивается в высококонтрастный волновод 3. Перекачивание оптической энергии происходит за счет оптической связи мод низкоконтрастного и высококонтрастного волноводов. Оптическая связь достаточная для полной перекачки энергии между модами возникает за счет применения адиабатических тейперов. Интегрально оптический тейпер 6 является адиабатическим тейпером и преобразует параметры поля моды достаточно плавно, так что модовый состав тейпера и волновода, с которым связан тейпер, не изменяется. За счет применения адиабатического тейпера 6 при перекачке оптического сигнала из одномодового низкоконтрастного волновода 2 в многомодовый высококонтрастный волновод 3 не происходит генерации мод высших порядков. Геометрические параметры такого тейпера 6 рассчитывают методами распространяющегося луча (beam propagation method), конечных разностей (finite difference), конечных разностей во временной области (finite difference time domain). Данные методы расчета реализованы в коммерчески доступном программном обеспечении. Сохранение одномодового режима в многомодовом по размерам поперечного сечения высококонтрастном волноводе 3 за счет медленно меняющихся геометрических параметров тейпера 6 позволяет оптимально распределить интенсивность электромагнитного излучения внутри такого канального волновода и избежать потерь от рассеяния на шероховатостях стенок волноводов. При распространении оптического сигнала по волноводу в зоне «Б» большая часть энергии оптического излучения сконцентрирована и распространяется в сердцевине высококонтрастного волновода с линейными размерами поперечного сечения, соответствующими многомодовому режиму распространения излучения. Далее оптический сигнал попадает в зону «В», которая является областью управления. В зоне «В» с помощью металлических управляющих электродов 4, соединенных с источником напряжения, создают электромагнитное поле, действующее на расположенные в этой зоне электрооптическую подложку и волноводы. Изменяя величину электрического напряжения, изменяют показатель преломления материала подложки и волновода. При изменении показателя преломления подложки и волновода изменяется фазовая характеристика оптической моды в области управления В. Управление фазовой характеристикой оптической моды позволяет создавать такие устройства, как фазовый модулятор, амплитудный модулятор, перестраиваемый фильтр на основе кольцевого резонатора и другие перестраиваемые интегрально-оптические элементы. Для возможности эффективного управления характеристиками оптического излучения на данном участке используют или только низкоконтрастный волновод 2, или совместно с низкоконтрастным волноводом 2 используют высококонтрастный волновод 7, линейные размеры поперечного сечения которого меньше, чем у одномодового высококонтрастного волновода и могут иметь при толщине T = 200 нм, ширину W менее 400 нм. За счет возможности «выгонять» оптическое излучение из кремниевого волновода 3 в ниобат лития при существенном сужении высококонтрастного волновода 3, постоянные распространения оптического излучения в волноводе 3 и в волноводе 2 начинают совпадать, и излучение перекачивается в низкоконтрастный волновод 2. При распространении оптического сигнала в зоне «В» только по низкоконтрастному волноводу 2, почти 100 % энергии оптического излучения сконцентрировано и распространяется в низкоконтрастном волноводе, т.е. 100 % энергии оптического излучения распространяется в электрооптически активной среде. В случае распространения оптического сигнала в зоне «В» по низкоконтрастному волноводу 2 и одновременно по высококонтрастному волноводу 7, размеры поперечного сечения которого меньше размеров одномодового высококонтрастного волновода, от 10 % энергии оптического излучения распространяется в низкоконтрастном волноводе, т.е. от 10 % энергии оптического излучения распространяется в электрооптически активной среде. Чем больше процент энергии, распространяющейся в электрооптически активной среде, тем выше эффективность изменения характеристик оптического излучения в зоне «В». Управление характеристиками оптического сигнала в зоне «В» возможно осуществлять с частотами до 40 ГГц и более. После прохождения оптическим сигналом зоны «В» через адиабатический тейпер излучение распространяется по высококонтрастному волноводу с размерами, соответствующими многомодовому режиму, при этом большая часть энергии оптического излучения сконцентрирована и распространяется в высококонтрастном волноводе. После прохождения зоны «Б» оптическое излучение попадает в зону «А», где через адиабатический тейпер полностью перекачивается в низкоконтрастный волновод 2, который может быть состыкован с оптическим волокном. An integrated optical device for embedding in an optical system is joined by any of the known methods with an optical fiber. The optical signal from the joined optical fiber is fed to the input of the integrated optical device and is introduced into the low-contrast optical waveguide of zone "A", in which the mode spot corresponds in size to the mode spot of the optical fiber. Due to this, the loss of optical radiation at the input is minimal. Thus, the characteristic mode spot diameter for optical fibers that are standardly used for splicing is 8–11 µm, and the mode field diameter in a low-contrast waveguide formed in the near-surface layer of substrate 1 is also 8–11 µm. In this case, the optical losses are insignificant - up to 1 dB per radiation input. Further, all the energy of the optical radiation is pumped into the high-contrast waveguide 3. The pumping of optical energy occurs due to the optical coupling of the modes of the low-contrast and high-contrast waveguides. Optical coupling sufficient for complete transfer of energy between modes arises through the use of adiabatic tapers. Integral optical taper 6 is an adiabatic taper and transforms the mode field parameters quite smoothly, so that the mode composition of the taper and the waveguide with which the taper is connected does not change. Due to the use of an adiabatic taper 6, when pumping an optical signal from a single-mode low-contrast waveguide 2 to a multi-mode high-contrast waveguide 3, higher-order modes are not generated. The geometric parameters of such a taper 6 are calculated using the beam propagation method, finite difference, and finite difference time domain methods. These calculation methods are implemented in commercially available software. Preservation of the single-mode mode in a high-contrast waveguide 3 multimode in cross-sectional dimensions due to slowly changing geometric parameters of the taper 6 makes it possible to optimally distribute the intensity of electromagnetic radiation inside such a channel waveguide and avoid losses from scattering on the roughness of the waveguide walls. When an optical signal propagates along a waveguide in zone "B", most of the optical radiation energy is concentrated and propagates in the core of a high-contrast waveguide with linear cross-sectional dimensions corresponding to the multimode mode of radiation propagation. Further, the optical signal enters the "B" zone, which is the control area. In zone "B" with the help of metal control electrodes 4 connected to a voltage source, an electromagnetic field is created that acts on the electro-optical substrate and waveguides located in this zone. By changing the magnitude of the electrical voltage, the refractive index of the substrate material and the waveguide is changed. When the refractive index of the substrate and the waveguide changes, the phase characteristic of the optical mode in the control region B changes. The control of the phase characteristic of the optical mode makes it possible to create devices such as a phase modulator, an amplitude modulator, a tunable filter based on a ring resonator, and other tunable integrated optical elements. To be able to effectively control the characteristics of optical radiation in this section, either only a low-contrast waveguide 2 is used, or, together with a low-contrast waveguide 2, a high-contrast waveguide 7 is used, the linear dimensions of the cross section of which are smaller than those of a single-mode high-contrast waveguide and can have with a thickness T = 200 nm, width W less than 400 nm. Due to the possibility of “expelling” optical radiation from silicon waveguide 3 into lithium niobate with a significant narrowing of high-contrast waveguide 3, the propagation constants of optical radiation in waveguide 3 and in waveguide 2 begin to coincide, and the radiation is pumped into low-contrast waveguide 2. When an optical signal propagates in the zone "B" only along the low-contrast waveguide 2, almost 100% of the optical radiation energy is concentrated and propagates in the low-contrast waveguide, i.e. 100% of the energy of optical radiation propagates in an electro-optically active medium. In the case of propagation of an optical signal in zone "B" along a low-contrast waveguide 2 and simultaneously along a high-contrast waveguide 7, the cross-sectional dimensions of which are smaller than the dimensions of a single-mode high-contrast waveguide, from 10% of the optical radiation energy propagates in a low-contrast waveguide, i.e. from 10% of the energy of optical radiation propagates in an electro-optically active medium. The greater the percentage of energy propagating in an electro-optically active medium, the higher the efficiency of changing the characteristics of optical radiation in zone "B". It is possible to control the characteristics of the optical signal in zone "B" with frequencies up to 40 GHz and more. After the optical signal passes through the “B” zone through the adiabatic taper, the radiation propagates along a high-contrast waveguide with dimensions corresponding to the multimode mode, while most of the optical radiation energy is concentrated and propagates in the high-contrast waveguide. After passing through zone "B", the optical radiation enters zone "A", where it is completely pumped through an adiabatic taper into a low-contrast waveguide 2, which can be coupled to an optical fiber.

Таким образом, во всех вышерассмотренных зонах гибридного интегрального-оптического устройства осуществляется эффективное управление и эффективное изменение характеристик оптического излучения. Комбинация зон в конкретном конструктивном исполнении устройства зависит от его назначения и решаемых технических задач.Thus, in all the above zones of the hybrid integrated-optical device, effective control and effective change in the characteristics of optical radiation is carried out. The combination of zones in a specific design of the device depends on its purpose and technical tasks to be solved.

В нижеприведенных примерах представлены характеристики и размеры элементов для использования в схемах гибридно-интегральных оптических устройств.The following examples present the characteristics and dimensions of elements for use in hybrid-integrated optical device circuits.

Пример 1: подложка гибридного интегрально-оптического устройства выполнена из ниобата лития (LiNbO₃) с показателем преломления 2,20, низкоконтрастный протонообменный волновод имеет показатель преломления 2,22, его линейные размеры поперечного сечения составляют: глубина 8 мкм, ширина 9 мкм; высококонтрастный волновод выполнен из кремния с показателем преломления 3,6. Линейные размеры поперечного сечения одномодового высококонтрастного волновода составляют: толщина 200 нм, ширина 700 нм; линейные размеры поперечного сечения многомодового высококонтрастного волновода составляют: толщина 200 нм, ширина 1000 нм. Геометрические параметры адиабатического тейпера: длина 300 нм, начальная ширина W1 = 1000 нм, конечная ширина W2 = 300 нм, изменение ширины происходит линейно. В области управления осуществляется перекачка 100 % энергии оптического излучения в низкоконтрастный волновод. Все параметры приведены для длины волны распространяющегося излучения 1,55 мкм. Example 1: the substrate of a hybrid integrated optical device is made of lithium niobate (LiNbO ₃ ) with a refractive index of 2.20; the high-contrast waveguide is made of silicon with a refractive index of 3.6. The linear dimensions of the cross section of a single-mode high-contrast waveguide are: thickness 200 nm, width 700 nm; linear dimensions of the cross section of a multimode high-contrast waveguide are: thickness 200 nm, width 1000 nm. The geometrical parameters of the adiabatic taper are: length 300 nm, initial width W1 = 1000 nm, final width W2 = 300 nm, the width changes linearly. In the control area, 100% of the optical radiation energy is transferred to a low-contrast waveguide. All parameters are given for a wavelength of propagating radiation of 1.55 µm.

Пример 2: подложка гибридного интегрально-оптического устройства выполнена из танталата лития (LiTaO₃) с показателем преломления 2,18, низкоконтрастный титанодиффузный волновод имеет показатель преломления 2,195, его линейные размеры поперечного сечения составляют: глубина 6 мкм, ширина 7 мкм; высококонтрастный волновод выполнен из оксида титана (TiO₂) с показателем преломления 2,614. Линейные размеры поперечного сечения одномодового высококонтрастного волновода составляют: толщина 200 нм, ширина 450 нм; линейные размеры поперечного сечения многомодового высококонтрастного волновода составляют: толщина 200 нм, ширина 600 нм. Геометрические параметры адиабатического тейпера: длина 250 нм, начальная ширина W1 = 600 нм, конечная ширина W2 = 300 нм, изменение ширины происходит линейно. В области управления осуществляется перекачка 100 % энергии оптического излучения в низкоконтрастный волновод. Все параметры приведены для длины волны распространяющегося излучения 0,63 мкм.Example 2: the substrate of a hybrid integrated optical device is made of lithium tantalate (LiTaO ₃ ) with a refractive index of 2.18, a low-contrast titanium diffuse waveguide has a refractive index of 2.195; the high contrast waveguide is made of titanium oxide (TiO ₂ ) with a refractive index of 2.614. The linear dimensions of the cross section of a single-mode high-contrast waveguide are: thickness 200 nm, width 450 nm; linear dimensions of the cross section of a multimode high-contrast waveguide are: thickness 200 nm, width 600 nm. The geometric parameters of the adiabatic taper are: length 250 nm, initial width W1 = 600 nm, final width W2 = 300 nm, the width changes linearly. In the control area, 100% of the optical radiation energy is transferred to a low-contrast waveguide. All parameters are given for a wavelength of propagating radiation of 0.63 µm.

При описании заявляемого технического решения использованы следующие элементы и понятия, известные из существующего уровня техники.When describing the proposed technical solution, the following elements and concepts are used, known from the existing prior art.

‒ Мода оптического излучения – это самосогласованное устойчивое распределение электромагнитного поля (электромагнитная волна) внутри оптического волновода;– An optical radiation mode is a self-consistent stable distribution of an electromagnetic field (electromagnetic wave) inside an optical waveguide;

‒ Каналируемая мода оптического излучения – это мода, распространяющаяся по волноводу (вследствие эффекта полного внутреннего отражения или рефракции) с минимальными потерями энергии;– The channeled mode of optical radiation is a mode propagating along a waveguide (due to the effect of total internal reflection or refraction) with minimal energy loss;

‒ Одномодовый режим распространения оптического сигнала – это такое состояние электромагнитного поля внутри волновода, при котором существует только одна каналируемая мода;– Single-mode propagation of an optical signal is such a state of the electromagnetic field inside the waveguide, in which there is only one channeled mode;

‒ Многомодовый режим распространения оптического сигнала – это такое состояние электромагнитного поля, при котором существует несколько каналируемых мод; – Multimode propagation of an optical signal is a state of the electromagnetic field in which there are several channeled modes;

-Модовый состав – количество каналируемых (распространяющихся) мод внутри волновода:-Mode composition - the number of channeled (propagating) modes inside the waveguide:

‒ Фундаментальная мода – мода первого порядка (количество узлов у электромагнитной волны внутри волновода равно нулю);‒ Fundamental mode is a first-order mode (the number of nodes of an electromagnetic wave inside a waveguide is equal to zero);

‒ Моды высших порядков – моды у которых количество узлов у электромагнитной волны внутри волновода больше нуля; – Modes of higher orders – modes in which the number of nodes of an electromagnetic wave inside the waveguide is greater than zero;

‒ Поле моды – пространственное распределение интенсивности электромагнитного излучения; – Mode field – spatial distribution of electromagnetic radiation intensity;

‒ Радиус поля моды – размер моды в поперечном сечении, определяющийся как расстояние от точки с максимальной интенсивностью электромагнитного излучения в поле моды до точки, где интенсивность падает в е раз;‒ Mode field radius is the size of the mode in cross section, defined as the distance from the point with the maximum intensity of electromagnetic radiation in the mode field to the point where the intensity drops by a factor of e;

‒ Диаметр поля моды – удвоенный радиус поля моды;– Mode field diameter – doubled mode field radius;

-Интегрально оптический тейпер – волновод (комбинация волноводов) у которого геометрические параметры изменяются по определенному закону с целью изменить поле моды;-Integral optical taper - a waveguide (a combination of waveguides) whose geometric parameters change according to a certain law in order to change the mode field;

‒ Адиабатический тейпер – интегрально оптический тейпер который преобразует параметры поля моды достаточно плавно, так что модовый состав тейпера и волновода, с которым связан тейпер, не изменяется.‒ Adiabatic taper is an integral optical taper that transforms the parameters of the mode field quite smoothly, so that the mode composition of the taper and the waveguide with which the taper is connected does not change.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность работы интегрально-оптического устройства при повышении эффективности управления характеристиками оптического излучения и снижении оптических потерь при распространении сигнала.Thus, the claimed invention makes it possible to increase the efficiency of the integrated optical device while increasing the efficiency of controlling the characteristics of optical radiation and reducing optical losses during signal propagation.

Claims

1. A hybrid integrated optical device containing a substrate made of an electro-optical material, in the near-surface region of which there is an optical channel single-mode low-contrast waveguide and input-output sections with an optical channel low-contrast waveguide, an optical channel high-contrast waveguide is located on the substrate, sections of the high-contrast waveguide are made with adiabatic tapers located above the low-contrast waveguide, the control area, in which control electrodes are located along the straight sections of the low-contrast waveguide, characterized in that the difference between the refractive index of the electro-optical substrate and the refractive index of the material of the high-contrast waveguide is 0.2-1.6, in the straight sections of the high-contrast waveguide its linear dimensions of the cross section correspond to the dimensions of the multimode waveguide, while using the calculated dimensions of the adiabatic tapers in these sections, one the second mode of transmission of optical radiation, in the control area above the straight sections of the low-contrast waveguide, there are sections of a high-contrast waveguide with linear cross-sectional dimensions corresponding to a single-mode waveguide, in which at least 10% of the radiation power is localized in the electro-optical substrate, and/or high-contrast adiabatic tapers of neighboring sections are located a high-contrast waveguide, the linear dimensions of the cross section of which correspond to a multimode waveguide.

2. The integrated optical device according to claim 1, characterized in that the high-contrast waveguide in the bend sections is made with linear cross-sectional dimensions corresponding to a single-mode waveguide.

3. The integrated optical device according to claim 1, characterized in that the high-contrast waveguide on the optical radiation dividers is made with linear cross-sectional dimensions corresponding to a single-mode waveguide.

4. The integrated optical device according to claim 1, characterized in that the high-contrast waveguide on the adders of optical radiation is made with linear cross-sectional dimensions corresponding to a single-mode waveguide.